Rambler's Top100
 
Статьи ИКС № 1 2021
Александр НИСКОРОДНОВ  12 февраля 2021

Батареи для ЦОДа: пора выбирать литий-ионные

Благодаря тому, что литий-ионные АКБ имеют более выгодные массогабаритные характеристики и большую удельную емкость, чем свинцово-кислотные аналоги, сфера их применения постоянно расширяется. Теперь в эту сферу входят и ЦОДы.

Современный ЦОД невозможно представить без качественного бесперебойного электропитания. Наряду с системой кондиционирования ИБП являются основной подсистемой, увеличивающей стоимость владения ЦОДом. Долгое время в ИБП всех классов мощности использовались аккумуляторные батареи технологии VRLA (Valve Regulated Lead-Acid) на базе свинца. Однако совершенствование и удешевление технологий литий-ионных АКБ постепенно привели к тому, что помимо бытовой техники они проникли в самое сердце ЦОДа.

Эффективность использования ИБП в дата-центре

Основной недостаток VRLA-батарей – малая удельная плотность сохраняемой энергии, которая составляет 80–110 Вт*ч/кг, тогда как у ЛИ АКБ она в два-три раза выше. Это значит, что при равной емкости масса свинцового батарейного массива будет во столько же раз больше. Сегодня используются два типа VRLA-батарей: GEL – с загущенным электролитом и AGM – с жидким электролитом в микропористом наполнителе. Занимаемая батарейным массивом площадь напрямую связана с его полной массой (АКБ/перемычки/кабели/конструктив стеллажа) и нагрузкой на пол. Например, в цокольных помещениях АКБ можно устанавливать в шкафах при значительной массе шкафа и его небольшой площади, в других – возможно только «плоское» размещение на стеллажах из-за низкой нагрузочной способности перекрытий. А в узких пространствах допустимо лишь вертикальное размещение АКБ на стеллажах-стенках. В любом случае необходимо учитывать особенности помещения и закладывать дополнительные металлоконструкции для распределения веса на бóльшую площадь, перестраивать существующее или адаптировать строящееся помещение ЦОДа, если время автономии ИБП и связанная с ним масса батарей должны быть большими. 

Другой немаловажный фактор, определяющий расходы на размещение VRLA-батарей, – обеспечение температурно-влажностного режима и воздухообмена, а также пожарной безопасности. Данный тип АКБ весьма чувствителен к температуре окружающей среды, и срок его службы может существенно сократиться, если температура длительное время превышает 25°С. Аналогично будет снижаться емкость батарей и при температуре ниже 15°С, что приведет к уменьшению времени автономной работы, а также общей надежности батарейного массива. Кроме того, перегрев батарей может вызвать вздутие, появление трещин в корпусе АКБ и протечку электролита, а это может повлечь за собой возгорание.

Вследствие перечисленных особенностей систем VRLA размещение мощных ИБП с такими батареями требует серьезной работы по проектированию, подготовке помещения и зачастую отдельной от питаемой нагрузки площадки, чтобы более эффективно использовать площади ЦОДа для ИT-систем. 

CAPEX и OPEX эксплуатации ИБП с VRLA

Долговременная эксплуатация ИБП с VRLA-батареями не столь проста, как кажется. Начальные вложения действительно значительно ниже, чем для литий-ионных батарей, однако в процессе эксплуатации возникают отрицательные моменты:
  • необходимость мониторинга батарейного массива (вплоть до отдельной АКБ);
  • постепенная деградация (снижение) емкости свинцовых АКБ и малый срок их службы;
  • необходимость полной замены всех АКБ в массиве при окончании срока службы;
  • необходимость менять все АКБ в батарейной цепочке, если один ее элемент длительное время был неисправным.
Мониторинг АКБ. Систем мониторинга параметров батарейного массива на VRLA на рынке не так много. Как правило, эти системы непросты в настройке и точно не являются бюджетным решением. Мониторинг каждой ячейки в батарейном массиве позволяет отследить на ранней стадии отклонение ее параметров от нормы и заранее спрогнозировать выход из строя батарейной цепочки или всего массива батарей. Системы мониторинга могут быть как проводными, где модули мониторинга с датчиками на каждой АКБ соединены информационными кабелями с контроллером, так и беспроводными. Обычно контролируются напряжение на выводах, внутреннее сопротивление и температура каждой АКБ в цепочке. Кроме того, системы батарейного мониторинга могут встраиваться в веб-интерфейс управления ИБП в виде дополнительной вкладки или работать независимо, взаимодействуя через Web/SNMP-протокол с системой мониторинга высшего уровня.

Без системы мониторинга обслуживающий персонал должен минимум раз в месяц проводить ручные измерения и осмотр каждой АКБ в массиве, чтобы выявлять отклонения параметров, а в некоторых случаях – кратковременно выводить ИБП из рабочего режима, что ведет к росту OPEX.

Деградация АКБ. Свинцовые АКБ имеют значительный уровень саморазряда. Как следствие, батарейному массиву требуется постоянная «плавающая подзарядка» для сохранения уровня накопленной энергии. Однако в таком случае емкость АКБ постепенно снижается, и она изнашивается быстрее. На скорость деградации емкости также влияют повышенная или пониженная температура окружающей среды, повышенная влажность и отсутствие должной вентиляции, удаляющей выделяемый АКБ водород из помещения. Чтобы обеспечить требуемое время работы ИБП в автономном режиме в течение всего 10-летнего срока службы батарей, нужно «переразмерить» емкость батарейного массива на 15–20% для компенсации деградации емкости АКБ, а значит, увеличить его итоговый вес и затраты на размещение. Типичный срок службы свинцовых батарей, используемых в ИБП малой, средней и большой мощности модульного исполнения, – три-пять лет, а в системах большой мощности с внешними батарейными шкафами или стеллажами – 8–10 лет.

Полная замена батарейного массива. По истечении срока службы VRLA АКБ требуется полная замена всего батарейного массива. Если с момента запуска в эксплуатацию прошло значительное время, добавление новых элементов АКБ уже невозможно. Такая замена сопряжена с выводом из эксплуатации всего ИБП, переводом его в ручной байпас. На время проведения работ снижается отказоустойчивость питания ЦОДа. Полная замена батарейного массива может длиться до нескольких суток, и это увеличивает уязвимость ЦОДа в нестабильных по электропитанию регионах. Другими словами, чем короче срок службы АКБ, тем чаще надо менять весь батарейный массив. Если же для увеличения периода между заменами использовать батареи long life, первоначальная стоимость батарейного массива серьезно вырастет.

Частичная замена батарейных цепочек. Если какая-либо АКБ в цепочке выходит из строя (т.е. повышается ее внутреннее сопротивление), она начинает разряжать всю цепочку на себя. Если же такая неисправная АКБ долгое время остается подключенной, то происходит деградация сначала отдельной цепочки (в среднем 40 шт.), а затем и всего массива. Это, очевидно, приводит к длительным простоям ИБП и увеличению CAPEX и OPEX предприятия. Кроме того, частичная замена АКБ возможна только в течение небольшого времени работы всего массива (не более 1–1,5 лет с начала эксплуатации), после чего уже нужно менять весь батарейный массив.

Что такое ЛИ АКБ для источников бесперебойного питания?

В каждом современном гаджете уже есть аккумулятор на основе литий-полимерных ячеек (в основном базирующихся на композиции LiMn₂0₄). Они отличаются высокой удельной емкостью, малым весом и гибкими возможностями для создания плоских и компактных батарей. Также широко распространены литий-ионные АКБ для различных силовых применений на основе той же химической композиции – это элементы формата 18650, которые часто устанавливают в портативные аккумуляторы и другие устройства, требующие высоких разрядных токов. Однако все эти виды ЛИ АКБ пригодны только для «мобильного» использования, они не обладают главным свойством батарей для ИБП – пожаробезопасностью и стабильностью параметров при долговременной работе в режиме 24 х 7.

Появляющиеся на рынке литиевые ИБП используют элементы на основе литий-железо-фосфатной химической композиции (LiFePO4). Батареи этого типа имеют несколько меньшую удельную плотность энергии, чем «мобильные» типы литиевых АКБ, но обладают в десятки раз большей разрядной способностью. Они могут отдавать очень большой ток без перегрева, отличаются высокой стойкостью к глубокому разряду и перезаряду, а также высокой стабильностью напряжения в процессе отдачи энергии.

Конструкция. Все современные литий-ионные АКБ имеют сходную конструкцию. Они состоят из пакета чередующихся слоев катодов, полимерных сепараторов, анодов и специального «твердого» или гелеподобного электролита, пропитывающего сепаратор (рис. 1). Аноды и катоды объединены в общие выводы, выходящие из корпуса наружу. Также в конструкцию силовых АКБ включены обратные клапаны для стравливания водорода при зарядке.

Рис. 1. Слоистая конструкция литий-ионных АКБ

Для использования в ИБП производят различные типы корпусов литиевых батарей (рис. 2) – начиная от классических форм-факторов VRLA-батарей и заканчивая специальными призматическими форм-факторами для высокоплотной упаковки батарейных модулей.

   
Рис. 2. Типы корпусов литий-ионных АКБ

Зарядное устройство для литий-ионных АКБ. Для ЛИ АКБ применяются специализированные решения, обеспечивающие зарядку высокими токами. Они используют точный контроль напряжения, внутреннего сопротивления и температуры, а также балансирные схемы для прецизионного выравнивания напряжения каждой ячейки. По сути, система мониторинга и коррекции батарейного массива – это изначально встроенная функция зарядного устройства ИБП. Она позволяет предупредить неисправность любого отдельного элемента на самой ранней стадии, задолго до того момента, когда потребуется менять цепочку или весь массив. У ИБП с модульными батареями система балансирования и мониторинга встроена в каждый батарейный модуль, а у стеллажных и шкафных батарейных систем обязательно установлена для каждого такого блока. Литий-ионный батарейный массив – это высокоинтеллектуальное устройство, обеспечивающее полный контроль всех составляющих и максимальное время службы.

Температурный фактор. ЛИ АКБ на основе LiFePO4 имеют намного больший температурный диапазон эксплуатации, чем VRLA-батареи. Он приближается к температуре эксплуатации самого ИБП (обычно 0–40°С), при этом деградации емкости при переохлаждении нет вплоть до 0°С. Однако для увеличения срока службы батарей производители рекомендуют эксплуатировать их при стандартных значениях температуры 15–25°С. 

Что предлагает рынок

В настоящее время рынок ИБП, поддерживающих работу с литий-ионными батареями или изначально адаптированных под этот тип АКБ, еще невелик, но каждые полгода число таких моделей ИБП растет. На рынке представлены как «смарт» ИБП малой (до 2–3 кВА), так и высокой мощности (20 кВА и более). Из присутствующих на российском рынке крупных производителей литий-ионных ИБП в первую очередь стоит упомянуть:
  • Huawei с линейками ИБП стоечного исполнения UPS2000-G мощностью от 3 до 20 кВА и башенного исполнения UPS5000 мощностью 15 кВА и выше;
  • APC (Schneider Electric) со стоечными моделями Smart-UPS SRT мощностью 1–3 кВА, линейкой мощных ИБП Galaxy VM (160–200 кВА) и Galaxy VS (20–120 кВА) для питания ЦОДов и пользовательской нагрузки в здании;
  • Eaton с башенными ИБП 93PM G2 мощностью 50–360 кВА для электропитания важной нагрузки и ЦОДов.
Сегодня на рынке достаточно хорошо представлены литий-ионные ИБП большой мощности, обеспечивающие качественное электропитание широкого круга потребителей: серверного оборудования, медицинского диагностического оборудования (томографов, МРТ), других пользователей в здании. Однако в сегменте ИБП малой (1–3 кВА) и особенно средней (5–15 кВА) мощности стоечного исполнения для электропитания малых ЦОДов в удаленных регионах или сетевого оборудования в кроссовых помещениях выбор пока недостаточно широк.

Преимущества ИБП с литий-ионными АКБ

Срок службы. Основное преимущество таких ИБП – увеличенный срок службы батареи – 10–15 лет. Это значительно снижает OPEX и CAPEX при долговременной эксплуатации, особенно если предприятие территориально распределено и имеет удаленные объекты инфраструктуры в труднодоступной местности. К примеру, нефтяные и газовые компании, транспортные и ж/д-предприятия эксплуатируют множество удаленных объектов с контрольно-вычислительным или коммуникационным оборудованием, которое зачастую размещается на открытом воздухе (в климатических шкафах) или на стенах. В этих случаях использование ИБП с литий-ионными АКБ сокращает затраты на регулярное обслуживание и замену батарей, которую не нужно производить каждые два-пять лет.

Размещение. Применение литий-ионных ИБП большой мощности для питания ЦОДа или пользовательской нагрузки в здании сокращает затраты даже по сравнению с классическими ИБП с long life VRLA АКБ. В таких сценариях, как правило, требуется от 30 мин до 2 ч автономии, и размер батарейного массива будет колоссальным для VRLA-батарей и довольно скромным для ЛИ АКБ. Если «вешать в граммах», то поддержание 1 ч автономной работы нагрузки мощностью 180 кВА потребует установить как минимум два шкафа с VRLA АКБ, каждый из которых будет весить около 2200 кг, занимая 0,9 кв. м, что создаст нагрузку на пол ~2500 кг/кв. м, которую не любое перекрытие выдержит. Обеспечение той же емкости с помощью литий-ионных АКБ потребует двух шкафов массой около 850 кг и площадью 0,7 кв. м каждый (нагрузка на пол в этом случае ~1200 кг/кв. м). Если в помещении для ИБП пол имеет низкую несущую способность (типичное значение для межэтажных перекрытий составляет 700–900 кг/кв. м), то в случае ЛИ АКБ разнести массу по расчетной для такой нагрузочной способности площади и остаться в небольших габаритах в разы проще, чем в случае VRLA АКБ.

Для ИБП малой мощности применение моделей с литий-ионными АКБ также имеет преимущество в размещении – использование ИБП для активного сетевого оборудования в настенных этажных кроссовых шкафах позволяет там разместить и легкий ИБП мощностью 1–3 кВА и весом 20–30 кг, в то время как его VRLA-оппонент будет иметь вдвое большую массу при чуть меньшем времени автономии.

Хранение в ЗИПе. Компании часто допускают одну ошибку – покупают в локальный ЗИП (запасные части, инструменты и принадлежности) VRLA-батареи, которые, как только покидают завод, начинают медленно «умирать». Всему виной высокий саморазряд VRLA АКБ (примерно 1,5–3% в месяц). К тому моменту, когда такую батарею понадобится поставить из ЗИПа в массив, она будет уже полностью неисправной. 

В то же время величина саморазряда у литий-ионных АКБ составляет лишь 5% в год, и они могут храниться на «сберегающем заряде» примерно в 7–8 раз дольше. ЛИ АКБ также требуют периодической дозарядки до «уровня хранения» (но более редкой), поэтому их использование ЗИПе более оправданно, хотя и не рекомендуется.

Пожаротушение. Некоторые производители ИБП оснащают готовые батарейные шкафы для ЛИ АКБ встроенной системой газового пожаротушения, срабатывающей при наличии дыма внутри батарейных отсеков. Это позволяет сэкономить на внешней системе пожаротушения и вытяжной вентиляции для удаления паров серной кислоты, требуемой в случае VRLA-батарей. Активация такой системы в батарейном шкафу ИБП будет точечной, инцидент будет локализован на самой начальной стадии и не приведет к пожару в помещении ЦОДа. В результате удастся избежать срабатывания общей системы пожаротушения дата-центра, если ИБП размещен вместе с нагрузкой.

* * *

Несмотря на то что ИБП с литий-ионными батареями примерно в полтора раза дороже свинцовых аналогов, общие затраты на их содержание и обслуживание (из расчета 10-летнего срока службы ИБП) оказываются ниже. Кроме того, если ИБП снабжены доступом по сети, служба эксплуатации предприятия сможет оперативно контролировать состояние каждой батарейной ячейки, что позволит исключить большие затраты, которые неизбежны при использовании ИБП с VRLA-батареями. Это в конечном счете помогает снизить как CAPEX, так и OPEX предприятия. 

Александр Нискороднов, ведущий инженер отдела «Инфраструктура», «ЛАНИТ-Интеграция» (ГК ЛАНИТ)
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!